一起500kV复合绝缘子操作冲击干耐受电压试验对地闪络事件分析

吕 禹 余荣兴 雷鸣东 陈超泉

（中国南方电网超高压输电公司大理局，云南 大理 671000）

0 引言

±800kV特高压新东直流输电工程的送端新松换流站位于海拔2 328m的云南剑川县，是全世界海拔最高的特高压直流换流站。在云贵高原地区，由于空气稀薄，太阳中较多的紫外线可以穿过大气层到达地面，紫外线辐射强度较大，年紫外线辐射总量远远高于其他地区，在此地区运行的户外有机绝缘子在强紫外线的辐射下对复合绝缘子表面会产生老化作用，降低表面憎水性，导致绝缘性能急剧下降，甚至引发闪络事故，造成巨大损失[1]。因此，500kV交流复合绝缘子在海拔2 328m的特高压换流站使用，对其性能要求更加苛刻。

复合绝缘子的耐污闪能力较强，在保障电力系统安全运行和推动我国电力工业发展中发挥了显著作用[2]。至今为止，我国输变电设备中已成功地使用了复合绝缘子约200万支，大大提高了输变电设备安全运行可靠性[3]。电力系统内因复合绝缘子故障导致的事件时有发生，例如，2016年云南某换流站发生多次复合绝缘子绝缘下降导致的跳闸事件，该事件发生的原因是生产工艺不符合要求，最终该批复合绝缘子全部更换，增加了运维难度和停电检修时间。因此，复合绝缘子在生产和出厂试验的过程中产生的缺陷须引起重视，通过出厂监造及试验减少电力系统事故的发生。

1 某换流站复合绝缘子操作冲击干耐受电压试验过程

1）试品信息

设备类型为 GIS设备用复合绝缘子，规格为φ446mm×φ470mm×6 000mm，电压等级为 550kV。

2）试验项目

操作冲击干耐受电压试验等级为 1 495kV，试验次数为正负极性各15次。

3）试验过程

第一次试验：2017年3月在某科学研究院电力高压试验大厅内进行操作冲击干耐受电压试验，正极性第10次及第11次连续出现外部对地闪络，试验停止。现场初步分析可能引起对地闪络的原因为均压环安装的方式及高压引线接线方式。

第二次试验：现场技术人员对均压环安装的方式及高压引线接线进行调整重新进行试验，分别进行了4次正极性操作冲击试验，其中1 440kV耐受、1 498kV对地闪络、1 503kV耐受、1 495kV对地闪络，技术人员现场观察发现每次外闪放电路径均从均压环斜向外侧打在地面上，试验停止。后续试验将先在复合绝缘子厂家验证，再到某科学研究院进行试验。

第三次试验：将另外1只相同型号产品安装于地面上，在复合绝缘子厂家的电力高压试验大厅进行正极性 5次操作冲击干耐受电压试验，其中1 494kV对地闪络、1 502kV对地闪络、1 503kV耐受、1 503kV对地闪络、1 490kV对地闪络。技术人员现场观察发现，每次外闪放电路径均从均压环斜向外侧打在地面上，与前两次试验现象相同。分析原因可能是由于未安装与套管匹配的试验工装进行试验。根据国际标准 IEC 600137《交流电压高于1 000V的绝缘套管》试验规定，套管应安装在一接地平台上，该接地平台应从套管的轴线沿套管的径向方向至少伸出0.4L（L为套管的干弧距离）[4]。

第四次试验：将第三次试验的同一根产品与试验工装对接后安装于地面上，在厂内进行正负极性各15次操作冲击干耐受电压试验，均未出现闪络情况。由于复合绝缘子厂家无相关试验资质，需有资质单位开展第五次试验验证。

第五次试验：将某科学研究院使用的复合绝缘子试品与试验工装对接安装于地面上，在电力高压试验大厅内进行正负极性各 15次操作冲击干耐受电压试验，均未出现闪络情况，试验通过。

有无试验工装对试验结果的影响见表 1，试验时有无工装筒对比如图1所示。

表1 有无试验工装对试验结果的影响

图1 试验时有无工装筒对比

2 对地闪络原因分析及试验改进措施研究

本次试验为复合绝缘子在直流工作电压的作用下，复合绝缘子均压环对接地体的放电特性，大致可由和棒-棒间隙或正极性棒-板间隙的直流放电特性来确定[5]。将试验简化后，试验可以等效为正棒-板电极模型和正棒-棒电极模型。试验及初步原因分析过程见表2。试验等效简化模型如图2所示。

表2 试验及初步原因分析过程

首次操作冲击干耐受试验，等效正棒-负板电极模型；第二次操作冲击干耐受试验，未改变电极方式，试验现象与首次试验相同，因此，对地发生闪络现象不是由于均压环安装的方式及高压引线接线导致；第三次和前两次试验结果相同，并非由于复合绝缘子个体差异导致；第四、五次试验均为复合绝缘子与试验工装对接后进行试验，未发生对地闪络现象，此时试验可以等效为正棒-棒电极模型。

图2 试验等效简化模型

从图2可以看出，第一、二、三次试验与第四、五次试验分别存在均压环对地面的放电路径1和均压环对下法兰的放电路径 2，路径 1可以等效为正棒-板电极，路径 2可以等效为正棒-棒电极，操作冲击干耐受电压试验时放电路径取决于不同路径的耐受冲击电压绝缘强度。操作冲击电压下，空间电荷对间隙放电路径有影响[6]。

图 3为棒-板和棒-棒空气间隙在波形为 500kV/2 500μs的操作冲击下的U50%与间隙距离的关系[7]。从图3中可知，正棒-棒空气间隙的50%操作冲击耐受电压明显比正棒-板空气间隙的 50%操作冲击耐受电压高。

图3 操作冲击电压（500kV/2 500μs）作用下棒-板及棒-棒空气间隙的50%击穿电压和间隙距离的关系

当时试验布置为正棒-板时，路径1操作冲击耐受电压低于路径2耐受电压值，因此闪络发生时，放电通道沿路径1发展，与高压试验大厅观察放电路径一致。此时考核的外绝缘并非复合绝缘子干弧距离的绝缘强度，而是复合绝缘子均压环对地的绝缘强度，不符合本次试验考核复合绝缘子均压环对下法兰干弧距离绝缘的目的。

当试验布置改为正棒-棒时，增加了路径1的间隙长度，路径1操作干耐受电压水平升高，此时路径2间隙长度未发生改变，路径2操作耐受电压水平不会发生变化，当试验工装筒增加到足够高，使路径1操作耐受电压高于路径2时，放电将发生在路径2上，此时考核的外绝缘为复合绝缘子的干弧距离是否足够，即考核均压环对下法兰的操作干耐受电压。

当复合绝缘子均压环对下法兰和对地的绝缘强度足够时，在进行操作冲击干耐受电压试验时则不会发生闪络现象，证明复合绝缘子通过了操作冲击干耐受电压试验。试验发生闪络原因分析见表3。

表3 试验发生闪络原因分析

3 复合绝缘子现场安装结构

复合绝缘子在换流站现场安装情况如图4所示，交流进线侧复合绝缘子距离大地5.14m，交流出线侧复合绝缘子距离大地4.94m，复合绝缘子的安装方式符合棒-棒电极模型。

图4 复合绝缘子现场安装图

4 结论

1）国际标准IEC 600137《交流电压高于1 000V的绝缘套管》对复合绝缘子的操作冲击干耐受试验的方法进行了规范和明确，增加工装底座的方法符合该标准的要求。某工程最终通过加装试验工装，达到了预期的试验目的，验证了该换流站500kV交流GIS用复合绝缘子质量符合要求，为该换流站复合绝缘子日后稳定运行奠定了基础。

2）从电气原理上分析，本试验发生的直接原因是由于均压环对地操作冲击干耐受电压小于均压环对下法兰的操作冲击干耐受电压，根本原因是现场试验技术人员对试验方法考虑不足，未提前做好试验预想，最终使试验延期，延误相关厂家生产进度。本试验过程分析及得出的结论，为以后相关工程复合绝缘子操作冲击干耐受电压试验提供了良好的经验。

3）复合绝缘子试验方法对试验结果影响巨大。经验表明，试验结果不正常，不一定是试验试品存在质量问题，也有可能是试验方法的差异引起的。这需要试验者认真掌握每一项试验方法对应的试验原理。对试验过程中的异常进行认真分析和总结，使试验切实达到预期检测目的。